WZMACNIACZE RÓŻNICOWE

1. WSTĘP

Wzmacniacz różnicowy działa na zasadzie układu mostkowego składającego się z dwóch
tranzystorów. Układ taki już od dawna znany był w technice pomiarowej. Z chwilą
pojawienia się układów scalonych wzmacniacz różnicowy, ze względu na swoje zalety,
znalazł zastosowanie także w elektronicznym sprzęcie powszechnego użytku w zakresie od
m.cz. aż do w.cz.

Wzmacniacz różnicowy składa się z dwóch tranzystorów połączonych w układzie
mostkowym (Rys.1).

Rys.1 Wzmacniacz różnicowy.

Jeżeli tranzystory mają dokładnie takie same parametry, a rezystory dokładnie takie
same wartości (przy produkcji układów scalonych jest to łatwe do uzyskania), to mostek
znajduje się w równowadze i napięcie wyjściowe U

2

= 0. Gdy do wejścia różnicowego

przyłoży się sygnał napięcia przemiennego, to w obwodach sterujących obydwa tranzystory
powstaną napięcia o takich samych amplitudach, ale przeciwnych fazach. W skutek tego
prądy przepływające w obwodach kolektorów będą się zmieniać w przeciwfazie i na
zaciskach wyjściowych u

2

powstanie wzmocnione napięcie z wejścia różnicowego.

Gdy jednak do zacisków wejściowych doprowadzi się sygnały o zgodnych fazach, to
obydwa tranzystory zostaną wysterowane w tym samym kierunku i napięcie u

2

na przekątnej

mostka wyniesie zero. Nazywa się to tłumieniem sygnału współbieżnego (synfazowego,
nieróżnicowego). Takimi sygnałami synfazowymi są np. wahania napięcia zasilania lub
indukowany w przewodach zasilających przydźwięk sieci. Sygnał współbieżny powstaje
także wtedy, gdy obydwa tranzystory równomiernie się nagrzewają i w związku z tym tak
samo rosną ich prądy kolektora. Napięcie wyjściowe u

2

wówczas się nie zmienia zwłaszcza

wtedy, gdy obydwa tranzystory, umieszczone tuż obok siebie, znajdują się w dobrym
kontakcie cieplnym i zawsze mają jednakową temperaturę. Przypadek taki występuje w
układach scalonych, w których wszystkie tranzystory są wykonane na jednej i tej samej płytce
krzemowej. Scalony wzmacniacz różnicowy jest więc bardzo stabilny temperaturowo (ma
mały dryft temperaturowy.)
Ważna dla działania wzmacniacza różnicowego jest jego wspólna rezystancja R

EE

w

obwodzie emiterów. Gdy na skutek sygnału współbieżnego będzie chciał wzrosnąć prąd
całkowity płynący przez rezystancję R

EE

, to w obydwu tranzystorach napięcie bazy U

BE

zmieni się w taki sposób, że ograniczy wzrost prądu. Natomiast w przypadku sygnałów

przeciwsobnych (różnicowych) na wejściu różnicowym prąd płynący przez jeden tranzystor
zmniejszy się w takim samym stosunku, w jakim wzrośnie prąd w drugim tranzystorze. Prąd
w obwodzie emiterów pozostanie stały nawet przy zwiększeniu wejściowych napięć
przeciwsobnych. Rezystancja w tym obwodzie nie ma więc prawie wpływu na wzmocnienie
różnicowe. Im większa rezystancja w obwodzie emiterów, tym bardziej stabilny prąd
całkowity i tym lepiej są tłumione zakłócenia powodowane przez sygnały synfazowe
(współbieżne) i zmiany temperatury. Dlatego często zamiast rezystora R

EE

stosuje się

tranzystor pracujący jako źródło prądowe ( które ma dużą różniczkową rezystancję
wewnętrzną, a przy tym jego rezystancja statyczna - stałoprądowa jest niewielka).

1.2 Wzmacniacz różnicowy o regulowanym wzmocnieniu

Ten sam układ, a mianowicie tranzystor zastępujący wspólną rezystancję w obwodzie
emiterów, można wykorzystać także do innych celów . Gdy do tranzystora T

3

nie doprowadzi

się stałego napięcia polaryzacji bazy, lecz zmienne, jak na rysunku 2, to można nim
regulować prąd emitera T

3

i tym samym wielkość sumy prądów emiterów T

1

i T

2

.

Rys. 2 Wzmacniacz różnicowy o regulowanym wzmocnieniu i jego charakterystyki

przejściowe dla dwóch różnych prądów tranzystora T3.

Gdy w doprowadzeniach emiterów tranzystorów umieścimy dodatkowo po jednym
rezystorze, to uzyskamy jeszcze lepszą symetrię mostka i szerszy zakres wysterowania. Na
rysunku 2 przedstawiono charakterystyki przejściowe układu.. Linia 1 dotyczy przypadku,
gdy przez tranzystor regulacyjny T

3

płynie większy prąd. Napięcie U

2

jest dla małych

wartości proporcjonalne do napięcia wejściowego U

1

.

2. OPIS TECHNICZNY BADANEGO UKŁADU

W ćwiczeniu wykorzystujemy wkładkę DUR1 (albo DN031A) zawierającą wzmacniacz
różnicowy z możliwością zastosowania różnego rodzaju obciążeń jak i zasilania emiterów.

Układ różnicowy, którego schemat przedstawiano na rys. 3. składa się z dwóch tranzystorów
(T

1

, T

2

) monolitycznego układu scalonego UL1111. Tranzystory te są polaryzowane przez

przełączany układ pomocniczy, który w zależności od pozycji przełącznika może realizować
prądowe zasilanie emiterów (źródło prądowe T

3

o wydajności 0,5 lub 1,5 mA) lub też -

zasilanie quasiprądowe - przez rezystor R

17

. W tym drugim przypadku prąd zasilania emiterów

wynosi około 1,5 mA.

Rys.3. Schemat badanego układu różnicowego DUR1 (DN031A).

Badany układ różnicowy może współpracować z obciążeniem liniowym (rezystory R

5

i R

6

) lub

z obciążeniem dynamicznym sterowanym (wtórnik prądowy T

6

, T

7

). Zmiany rodzaju

obciążenia dokonuje się przełącznikiem suwakowym "R

C

- dyn" , W pozycji "R

C

" kolektory

obu tranzystorów T

1

i T

2

dołączone są przez rezystory do napięcia zasilania +5V. Tranzystory

wtórnika prądowego T

6

, T

7

są wówczas zatkane. W pozycji "dyn" układ różnicowy zasilany

jest w sposób pokazany na rys. 4.

Rys.4 Zasilanie kolektorów układu różnicowego za pomocą wtórnika (lustra) prądowego

w pozycji "dyn" przełącznika rodzaju obciążenia.

Jak widać na rysunku, ten sposób zasilania umożliwia uzyskanie dużych wartości
napięciowego wzmocnienia różnicowego (przy R

E

→

∞) oraz eliminację sygnału

współbieżnego (do obciążenia płynie różnica prądów kolektorów). co - po pierwsze -
prowadzi do radykalnego zmniejszenia wzmocnienia sumacyjnego k

US

, zaś po drugie - do

uzyskania różnicowego sygnału na wyjściu niesymetrycznym. Rezystor R

C

w przypadku

obciążenia dynamicznego służy do ograniczenia wzmocnienia różnicowego, bowiem przy
bardzo dużych wartościach k

UR

utrzymanie układu różnicowego w stanie równowagi jest

bardzo trudne, np. ze względu na różnice charakterystyk tranzystorów T

1

i T

2

lub niesymetrię

wtórnika prądowego T

6

, T

7

. Płyty czołowe modułów DUR1 oraz DN031A przedstawiono na

rys.11.

3. WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ

- wkładka charakterograficzna 2 - kanałowa SCH1 (SN7212)
- przełącznik 4 - kanałowy (2 - kanałowy) "dc" SP2, SP4 (SA4011)
- generator sygnałów synfazowych SGS3 (SN3112)

4. OBSERWACJE I POMIARY

4.1 Obserwacja statycznych charakterystyk przejściowych układu różnicowego

Ideę obserwacji charakterystyk przejściowych przedstawia rys. 5. Charakterystyki

przejściowe obu części układu mogą być obserwowane jednocześnie za pomocą wkładki
charakterograficznej dwukanałowej SCH1 (SN7212). Po połączeniu układu zgodnie z rys.6,
we wzmacniaczu należy ustawić tryb pracy XY i uziemić bazę tranzystora T

2

poprzez

wciśnięcie odpowiednich przycisków.
Na ekranie oscyloskopu należy obejrzeć i przerysować do protokołu charakterystyki
układu współpracującego z różnymi obciążeniami i dla różnych warunków zasilania
emiterów. W szczególności dla symetrycznego obciążenia liniowego R

C

=2kΩ i prądu I

E

0,5[mA], trzeba określić przyporządkowanie tranzystorów do charakterystyk i ustalić który
tranzystor jest odwracający ze względu na sygnał wejściowy. Zmierzyć szerokość zakresu

Rys.5 Uproszczony schemat układu badanego przy obserwacji statycznych

charakterystyk przejściowych.

roboczego napięcia wejściowego. Na przebiegach napięć wyjściowych, zidentyfikować
przypuszczalne stany pracy tranzystorów - aktywny, odcięcia prądu kolektora, nasycenia.
Zmienić prąd zasilania emiterów na 1,5[mA], jakie zmiany nastąpiły w przebiegach;
określić te zmiany jakościowo i ilościowo. Jak wielkie jest teraz wzmocnienie różnicowe ?.

Rys.6 Schemat blokowy połączenia przyrządów pomiarowych do obserwacji statycznych

charakterystyk przejściowych układu różnicowego DUR1 (DN031A).

Zaproponować alternatywne sposoby powiększania wzmocnienia układu. Zmierzyć
wzmocnienie napięciowe na wyjściach asymetrycznych (kolektor – masa) dla obciążenia
dynamicznego i porównać z adekwatnym przypadkiem obciążenia statycznego.
Zaobserwować zmiany w charakterystykach układu dla prądu emiterów I

E

= 1,5[mA] w

przypadku źródła prądowego oraz rezystora emiterowego R

E

. W obu tych przypadkach

obciążenie tranzystorów powinno być statyczne R

C

= 2kΩ. Wyjaśnić dlaczego napięcie

wyjściowe z kolektora tranzystora T

1

od pewnych wartości napięcia wejściowego zaczyna

wzrastać. Ile wynosi wtedy wzmocnienie ?.

Należy także zbadać wpływ zmian napięcia bazy T

2

(włączyć U

b2

= V) na położenie obu

charakterystyk przejściowych w kilku z badanych poprzednio przypadków.

Na zakończenie zaobserwować dokładny przebieg charakterystyk przejściowych w

zakresie przełączania prądu zwiększając 50-krotnie czułość odchylania we wkładce DUR1
(DNO3lA). Baza T

2

winna być wtedy ponownie zwarta do masy.

4.2. Pomiary wzmocnienia różnicowego układu

W tej części ćwiczenia badany układ będzie traktowany jako wzmacniacz różnicowy,
którego wejściem nieodwracającym jest baza T

1

, odwracającym - baza T

2

, zaś wyjściem -

kolektor T

2

. Ideę pomiaru przedstawiono na rys. 8a.

Rys.8 Uproszczone schematy ideowe układu badanego przy pomiarach wzmocnienia

różnicowego a) i sumacyjnego b).

Do pomiarów wzmocnienia różnicowego k

UR

trzeba zatem włączyć tryb "

∆

V" bazy T

1

i

uziemić bazę T

2

. Przełącznik SP4 albo SP2 (SA4011) powinien być w pozycji "A" (pomiar

napięcia U

wy2

). Poszukiwane wzmocnienie różnicowe jest ilorazem chwilowego przyrostu

napięcia kolektora tranzystora T

2

(Wy

2

) i wzrostu napięcia wejściowego o 5[mV] podczas

naciskania klawisza "

←

". Schemat blokowy połączenia aparatury do pomiarów

wzmocnień przedstawia rysunek 7. Pomiary należy przeprowadzić dla 6 kombinacji
układowych zamieszczonych w Tabeli 1.

Rys 7. Schemat blokowy układu do pomiarów wzmocnienia różnicowego i sumacyjnego.

4.3.

Pomiary wzmocnienia sumacyjnego

Wzmocnienie sumacyjne k

US

układu określa się na podstawie pomiaru zmiany napięcia

kolektora T

2

(Wy

2

), która powstaje w wyniku zmiany napięcia między połączonymi

równolegle bazami tranzystorów T

1

i T

2

, a masą układu, patrz rys. 8b. Zgodnie z tą ideą,

trzeba obie bazy przełączyć w tryb "V". Napięcie wejściowe - "V", mierzone w położeniu "B"
przełącznika SP4 albo SP2 (SA4011), należy zmieniać od jednej skrajnej jego wartości do
drugiej. Dla każdej z tych wartości napięcia "V" odnotować odpowiadające im wartości
napięcia wyjściowego u

WY2

(pomiar w położeniu "A" przełącznika). Zatem w każdym z 6

przypadków Tabeli 1 dysponować się będzie parą wartości napięcia wejściowego i
odpowiadającymi im dwoma wartościami napięcia wyjściowego.

Tabela 1

Warunki pomiaru wzmocnienia k

UR

i k

US

badanego układu różnicowego

Lp.

Obciążenie

Zasilanie emiterów

1

liniowe, R

C

= 2 k

Ω

I

E

= 0,5 mA

2

liniowe, R

C

= 2 k

Ω

I

E

= 1,5 mA

3

liniowe, R

C

= 2 k

Ω

R

E

4

Dynamiczne, R

C

= 2 k

Ω

I

E

= 1,5 mA

5

Dynamiczne, R

C

= 20 k

Ω

I

E

= 1,5 mA

6

Dynamiczne, R

C

= 2 k

Ω

R

E

Jako opracowanie wyników z pkt. 4.2 i 4.3, dla każdego mierzonego przypadku, należy
obliczyć współczynnik tłumienia składowej sumacyjnej CMRR (WTSS) - to jest iloraz
wzmocnień k

UR

i k

US

.

4.4. Badanie wzmacniacza różnicowego jako układu analogowego mnożenia sygnałów

Wykorzystując zależność wzmocnienia k

UR

, od prądu zasilającego emitery tranzystorów

układu różnicowego, można zrealizować w tym układzie operację mnożenia analogowego.
W szczególnym przypadku właściwość ta może być wykorzystana do modulacji
amplitudowej. Ideę takiej pracy przedstawiono na rysunku 9.

Rys.9. Uproszczony schemat układu badanego pracującego jako modulator amplitudy.

Do sterowania tego układu należy wykorzystać generator sygnałów synfazowych SGS3
(SN3112), odpowiedni schemat blokowy układu pomiarowego przedstawia rysunek 10.

Rys.10. Schemat blokowy do badania układu różnicowego pracującego jako analogowy

układ mnożący.

Tryb pracy bazy tranzystora T

1

należy ustawić na "MOD", baza T

2

ma być uziemiona. Układ

różnicowy powinien współpracować z obciążeniem dynamicznym przy R

C

=2 k

Ω

oraz

I

E

=1,5 [mA].

Należy pamiętać o synchronizacji oscyloskopu z generatora SGS3 (SN3112).

Z pomocą prowadzącego tak ustawić amplitudy sygnałów wejściowych tak aby uzyskać 50%
modulację amplitudy. Przebieg napięcia wyjściowego przerysować do protokołu z
zachowaniem skali obu osi współrzędnych. Następnie przełączyć obciążenie dynamiczne na
liniowe i ponownie przerysować obserwowany przebieg do protokołu.

a) b)

Rys. 11. Płyty czołowe wkładek DUR1 - a) oraz DN31A - b).